Ragheb HIJAZI (Doctorant XLIM) Julien BERGES (Post-doc XLIM) Bruno BARELAUD (Prof. XLIM) 29ièmes Journées des L.A.R.D octobre 2012

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1 Intégration sur silicium des capteurs et des fonctions de traitement de signal générés par des rayonnements nucléaires. Application à la mesure du radon Ragheb HIJAZI (Doctorant XLIM) Julien BERGES (Post-doc XLIM) Bruno BARELAUD (Prof. XLIM) Clermont-Ferrand 1/42

2 Contexte (1/2) Projet XRAD : Mesure et contrôle du radon par dispositifs radio communicants Labellisé par Elopsys: Pôle de compétitivité des hautes technologies implanté en région Limousin, réunit les acteurs majeurs des micro-ondes, de la photonique, des réseaux sécurisés, des images et des interfaces numériques. Consortium : Pe@rl(Start-up issue du laboratoire XLIM) (mesures de rayonnements nucléaires et de radioactivité dans la plupart des matériaux (solides, liquides, gaz)) Adeunis-RF (conception, fabrication et commercialisation de systèmes de transmission radio sans fil) Legrand (Spécialiste mondial des infrastructures électriques et numériques du bâtiment) XLIM UMR CNRS (domaines de l'informatique, des mathématiques, de l'optique, de l'électromagnétisme et de l'électronique) Durée : 36 mois (de 2009 au 1er trimestre 2013!!!) Financement : 1,7 M (FUI, CR Limousin, FEDER) Clermont-Ferrand 2/42

3 Contexte (2/2) OBJECTIFS POURSUIVIS: Mettre au point, développer et produire deux dispositifs destinés respectivement à le mesure dela concentrationvolumique duradon etau contrôlede cette activité dans un espacegérépar un réseau domotique. Les deux applications sont complémentaires et non concurrentes. Un dispositif est destiné à fournir l activité volumique du radon dans un souci réglementaire ou d information, Le deuxième dispositif doit gérer le problème de la qualité de l air du point de vue radiologique. XLIM s'assure de la partie modélisation et intégration. modélisation de la collection des aérosols par la méthode des éléments finis, Conception et simulation de l électronique de polarisation et de traitement des signaux, réalisation de prototypes de circuits intégrés(fonderie, encapsulation, tests). Clermont-Ferrand 3/42

4 Sommaire Introduction Le radon et les détecteurs Chaîne électronique de traitement de signal Circuits réalisés Fonctions intégrées Caractérisations et manipulations Capteur radon Conclusions et perspectives Clermont-Ferrand 4/42

5 Introduction Système de collection Collection des aérosols porteurs des radionucléides descendants à vie court du radon 222 Détecteur Signal (impulsion de charge) Chaine électronique de traitement Le Radon 222 fait partie de la chaîne de l 238 U qui à une période de 4,5 milliards d années Descendants du radon 222 a. Traitement du signal b. Optimisation des différents types de bruit Clermont-Ferrand 5/42

6 Le radon et les détecteurs Techniques de mesure de l activité volumique du radon Ponctuelles Continues Intégrées Temps bref, de l ordre de quelques secondes à quelques minutes L activité volumique à l instant de la mesure Permettant de suivre l évolution de l activité volumique du radon en fonction du temps La valeur moyenne annuelle Clermont-Ferrand 6/42 Durée minimum de 7 jours/effectuée sur une période de l ordre de 2 mois au moins Plusieurs problèmes à considérer Problème métrologique (durée de la mesure, facteurs d influence «la température, la pression et le taux d humidité,», choix d un détecteur adapté à la réalisation de mesures de courte ou de longue durée, normalisation, ) Problème juridique relatif aux modes d occupation des habitants (habitudes d ouverture et de fermeture des ouvrants, chauffage, ventilation, ) mais aussi à la variabilité du radon dans le temps et l espace.

7 Introduction Le radon et les détecteurs Chaîne électronique de traitement de signal Circuits réalisés Fonctions intégrées Caractérisations et manipulations Capteur radon Conclusions et perspectives Clermont-Ferrand 7/42

8 Chaîne électronique de traitement de signal Conversion du courant du détecteur en tension V out proportionnelle à E α Optimisation du rapport S/N en fonction de l encombrement temporel de l impulsion Comparateur à seuil (Discriminateur) Diode Compteur + Registre ID CD RD Id(t) varie avec l énergie et l incidence de la particule incidente Préamplificateur Filtre Technologie CMOS 0,35 µm (AMS) V seuil Discriminateur Conversion analogique/numérique du signal Comptage et enregistrement Rejection des impulsions non désirées Facilité d intégration des différents éléments sur le même substrat Faible consommation et faible coût Clermont-Ferrand 8/42

9 Chaîne électronique de traitement de signal Phénomène d empilement Type de l'empilement Nombre d'empilement % empilement (même type) % empilement (tous les types) Alpha Alpha Alpha Beta Beta Alpha Beta Beta nombre absolu pourcentage par rapport aux désintégrations α Temps de α -α α -β β -α β -β Temps de α -α α -β β -α β -β réponse (µs) réponse (µs) Clermont-Ferrand 9/42

10 Introduction Le radon et les détecteurs Chaîne électronique de traitement de signal Circuits réalisés Fonctions intégrées Caractérisations et manipulations Capteur radon Conclusions et perspectives Clermont-Ferrand 10/42

11 Circuits réalisés Tension de polarisation: 3 V, Consommation < 0,5 3 V, Gain 10000, ENC totale de l ordre de 6 KeV, Plage de valeur de C D : [0, 400 pf] Étage suiveur : Optimisation l impédance de sortie M 9 remplacé par R 1 meilleure linéarité et une contribution en bruit inchangé W n = 827 µm (N g : T 1, T 2 et T 3 = 9, T 4 = 8 (M 1 : N g = 35)) Topologie optimale pour la réalisation du dessin de masque (layout) Polarisation homogène de la grille Diminution des capacités C BS et C BD dans ces transistors M1 M3 M4 M5 M6 M7 M8 R f = 10 MΩ Type PMOS NMOS PMOS PMOS NMOS NMOS NMOS C f = 0,5 pf W L ,6 0, ,6 0,5 R 1 = R 2 = 15 kω I 1 = 70 µa Clermont-Ferrand 11/42 Consommation totale 410 µw

12 Circuits réalisés Nous avons pris en compte : L amélioration du gain et de la sensibilité La diminution de l encombrement temporel de l impulsion de sortie L adaptation avec une très grande plage de valeurs de C D (jusqu à 400 pf) La possibilité de pré-amplifier les impulsions de très faibles amplitudes Utilisation de l électronique intégrée avec un grand choix de détecteurs semi-conducteurs Amplitude 1,364 V Dynamique 290 mv Durée 120 µs Clermont-Ferrand 12/42

13 Circuits réalisés Mise en forme Fréquence de coupure, fc = 1/2πRC Prototype 2 : R = 100 kω, C = 20 pf Fc= 79 khz Impulsion d entrée (200 mv) Sortie du dérivateur Sortie du 1èr intégrateur Sortie du 2ème intégrateur ZOOM Temps (µs) Clermont-Ferrand 13/42

14 V DD Circuits réalisés Amplificateur IN R 1 Tension de sortie (V) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 M M 3 I B V DD M 5 25, M 4 M 2 R 2 M 8 M , ,8 pf 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Tension d'entrée (V) C C 45 1 M 6 M 7 I n Etage différentiel d entrée Clermont-Ferrand 14/42 C L R 1 = 2,5 kω R 2 = 12 kω V OUT Etage de polarisation Etage de sortie Tension d alimentation : 3 V Gain en boucle fermé 4,34 Produit GBW 15 MHz, Vitesse de balayage 1,5 V/µs SR 1,7 V/µs Dynamique d entrée en mode commun: CMR+ 2,15 V / CMR 1 V Dynamique de sortie: OUT+ 2,5 V / OUT 0,5 V Capacité de charge: CL = 6 pf Marge de phase 67 Consommation de l ordre de 0,65 mw

15 Circuits réalisés Discriminateur OTA Miller (utilisé en boucle ouverte) C C a été minimisée afin d augmenter la vitesse de balayage (C C = 10 ff) Clermont-Ferrand 15/42 consommation dans l OTA : 510 µw

16 Introduction Le radon et les détecteurs Chaîne électronique de traitement de signal Circuits réalisés Fonctions intégrées Caractérisations et manipulations Capteur radon Conclusions et perspectives Clermont-Ferrand 16/42

17 Fonctions intégrées Layout du circuit intégré Amplificateur Préamplificateur de charges Discriminateur Chaîne complète Clermont-Ferrand 17/42

18 Fonctions intégrées cœur + périphérie cœur Surface: 3,9 mm² Chaîne complète Clermont-Ferrand 18/42

19 Introduction Le radon et les détecteurs Chaîne électronique de traitement de signal Circuits réalisés Fonctions intégrées Caractérisations et manipulations Capteur radon Conclusions et perspectives Clermont-Ferrand 19/42

20 Caractérisations et manipulations Clermont-Ferrand 20/42 Prototype de l électronique intégrée

21 Caractérisations et manipulations Caractérisations des détecteurs Fournisseur Photodiode/Diode Type Fenêtre de protection Détection Canberra PD AM PIPS NON OUI Hamamatsu S PIN NON OUI Hamamatsu S PIN NON Pas concluant Hamamatsu S BQ PIN OUI NON Hamamatsu S8559 PIN Scintillateur NON Hamamatsu S8193 PIN Scintillateur NON Hamamatsu S8650 PIN OUI Pas concluant Hamamatsu S PN OUI NON IRD AXUV4 PIN NON OUI Clermont-Ferrand 21/42

22 Caractérisations et manipulations Caractérisations spectrométriques Temps d acquisition Tension de la polarisation inverse Présence ou absence de vide Présence ou absence de Mylar Présence ou non d un collimateur Chaîne ITECH Am-241 «E α = 5,486 MeV» Diode Canberra (couvert avec Mylar) Présence de vide (1h30) Absence de vide (1h30) Clermont-Ferrand 22/42

23 Caractérisations et manipulations Caractérisations de l électronique intégrée Banc de mesure du circuit intégré Clermont-Ferrand 23/42

24 Caractérisations et manipulations Caractérisation de l électronique intégrée Sortie du préamplificateur de charges : impulsion d amplitude 60 mv (20 mv/div) -(Diode HAMAMATSU non polarisée Source α«am241») Sortie du préamplificateur de charges : impulsion d amplitude 90 mv (50 mv/div) -(Diode HAMAMATSU polariséesous 30 V Source α«am241») Clermont-Ferrand 24/42

25 Caractérisations et manipulations Diode HAMAMATSU non polarisée Source α«am241» Sortie du préamplificateur de charges : -impulsion d amplitude 60 mv - encombrement temporel de l ordre de 90 µs Sortie de l amplificateur : -Impulsion d amplitude 600 mv (R 2 = 100 kω) -Amélioration de la forme du signal et de son encombrement temporel (#15 µs) Clermont-Ferrand 25/42

26 Caractérisations et manipulations Caractérisation de discriminateur Générateur d'impulsion VDD = 3 V, V REF 1 V, impulsion d entrée d amplitude 1,5 V Am-241 (E α = 5,486 MeV) Sortie intégrateur Amplitude 150 mv ( 5,5 MeV) Durée 60 µs L intégrateur, connecté à l entrée du discriminateur V REF 70 mv ( 2,6 MeV) Sortie discriminateur Amplitude 3 V, Durée 40 µs Clermont-Ferrand 26/42

27 Diode Canberra Caractérisations et manipulations Analyses spectrométriques Oscilloscope Chambre α + Diode Chaîne de traitement ITECH Quad-ADC ITECH Interwinner Haute tension Préamplificateur + amplificateur Boîtier polarisation Polarisation de la chaîne Chambre α + Diode CI -XLIM Quad-ADC ITECH Interwinner Oscilloscope Clermont-Ferrand 27/42

28 Caractérisations et manipulations Source Am-241 -(92000 α/min) Temps d acquisition 10 min Electronique ITECH Electronique intégrée événements événements Clermont-Ferrand 28/42

29 Caractérisations et manipulations Tests en atmosphère radon (Présentation de la chambre radon) Les mesures doivent conduire aux spectres des descendants du radon qui sont le Polonium 218 avec une énergie alpha égale à 6114 kev et le polonium 214 avec uneénergiealphaégaleà7833kev Chambre contenant le système de collection et la diode Canberra(Capacité : 27 litres) 1, 2, 3 : vannes de dégazage Vannes d ouverture de la chambre principale Chambre contenant la source de radon Source naturelle du radium ( 226 Ra) Clermont-Ferrand 29/42

30 Caractérisations et manipulations Temps d acquisition 30 min Electronique ITECH 4121 événements Electronique intégrée 4460 événements Clermont-Ferrand 30/42

31 Caractérisations et manipulations Introduction Le radon et les détecteurs Chaîne électronique de traitement de signal Circuits réalisés Fonctions intégrées Caractérisations et manipulations Capteur radon Conclusions et perspectives Clermont-Ferrand 31/42

32 Capteur radon Système de collection 32/42 29ièmes Journées des L.A.R.D octobre 2012 Clermont-Ferrand

33 Capteur radon Objectifs Améliorer la collection des aérosols Différences entre système polarisé ou non Définir une topologie pour la protection du système contre les agressions extérieures Directes (physique) Indirectes (EM) Avoir le plus grand volume de collection possible Augmenter la sensibilité du capteur mesures plus rapides de l activité volumique du radon Différents éléments du système Une photodiode ou une diode (détecteur semi-conducteur) Un disque d isolant (polychlorure de vinyle) Un anneau d aluminium (électrode) Schéma Clermont-Ferrand 33/42 Orientation ligne de champ E Détecteur Electrodes en aluminium Isolant

34 Anneau aluminium Capteur radon Photodiode Structure simulée en 3D Isolant Résultats Lignes de champ E entre les 2 électrodes E max = 7,7 e 5 V/m E min = 1 V/m Clermont-Ferrand 34/42

35 Capteur radon Résultats d optimisation du volume de collection 7 cm Volume de E min = 1V/m : 1,97 L Clermont-Ferrand 35/42

36 Présentation système de collection Capteur radon Protocole de mesure en atmosphère radon Détecteur recouvert d un film de mylar aluminisé + couvercle plastique percé au centre + support aluminium Electrode périphérique en aluminium e = 1mm 4 cm < dcentre < 19 cm Support système de collection en PVC Diode Canberra AM polarisée à 30V (zone désertée # 230 µm) recouverte d un film de mylar aluminisé (1mm) et collimatée (réduction zone activeà90mm²environ) Electrode périphérique de diamètre moyen 10 cm Tension appliquée sur électrode périphérique variable(0 à 550V) Durée des mesures 22h Clermont-Ferrand 36/42

37 Capteur radon Tension électrode 0 V Tension électrode 110 V Pic de 218 Po Pic de 214 Po Tension électrode 330 V Tension électrode 550 V Clermont-Ferrand 37/42

38 Capteur radon Sans champ électrostatique V=0 V Avec champ électrostatique V = 110 V Avec champ électrostatique V = 330 V Avec champ électrostatique V = 550 V 218 Po (nombre total d événements détectés) Gain X 8,97 11,28 13, Po (nombre total d événements détectés Gain X 29,91 22,46 25,77 Nombre total d événements détectés Tension en Volts sur électrode périphérique Clermont-Ferrand 38/42 Po214 Po218

39 Capteur radon Bilan avec détecteur de référence Gain important par application du champ électrostatique (entre 8,97 et 13,80 pour 218 Po et 22,46 et 29,91 pour 214 Po) Mesure plus précise et plus rapide de l activité volumique du radon Nombres d événements détectés en fonction de la tension appliquée sur l électrode : loi de variation exponentielle suivie d un phénomène de saturation lié aux conditions opératoires Clermont-Ferrand 39/42

40 Introduction Le radon et les détecteurs Chaîne électronique de traitement de signal Circuits réalisés Fonctions intégrées Caractérisations et manipulations Capteur radon Conclusions et perspectives Clermont-Ferrand 40/42

41 Capteur radon validé par rapport au cahier des charges fixé Capteur composé de deux parties principales : Un détecteur optimisé (brevet) Un ASIC (circuit intégré) Prototype de capteur radon réalisé Conclusions et Perspectives Traitement de la partie communication sans fil et adaptation aux produits Legrand 41/42 29ièmes Journées des L.A.R.D octobre 2012 Clermont-Ferrand

42 Conclusions et Perspectives 42/42 29ièmes Journées des L.A.R.D octobre 2012 Clermont-Ferrand